航天结构材料性能指数及其应用

阐明了航天结构材料性能指数的概念和公式推导方法,并说明如何应用它来合理选择航天结构材料。同时指出目前熟知的材料比强度、比模量概念的局限性。     

应用结构动力学模型进行弹翼静强度计算

以模态试验结果为基础，根据特征方程反问题的直接方法对结构界面的连接刚度作参数辨识，得到结构的连接界面边界条件，建立超准确的结构动力学模型，利用该模型进行结构静强度计算，可以得到比传统静强度计算更加合理的结果。讨论了某型导弹弹翼的强度计算，说明该方法是可行和有效的。     

火箭结构可靠性设计分析

本文为火箭结构可靠性设计分析的综合性报告。从实用观点,考虑到可靠性设计的合理性以及传统安全系数设计的方便性,提出可靠性安全系数法。可靠性安全系数常比传统安全系数小,因而,在满足所要求的可靠性指标情况下,常可使结构重量减轻。 文中讨论了结构可靠性设计指标与分配;简介了可靠性设计的一般方法;通过可靠性安全系数,把可靠性设计与试验检验直接相联系,列出了试验检验算式。此外,综述了结构强度统计中的一些具体问题。文中给出了有关结构强度变差系数及可靠性安全系数图表,供查用。     

镁合金在航天器上的应用分析与实践

镁合金具有比强度、比刚度高,阻尼性好,电磁屏蔽能力、抗辐照能力强等优点,是特别适合航天器选用的轻质金属材料。文章针对航天器结构轻量化的发展需求,结合镁合金在航天器中的不同应用情况,分析了镁合金存在的耐腐蚀性、焊接和加工成型等工艺问题,给出了具体工艺方法和措施建议。     

KOREX芳族聚酰胺蜂窝夹芯

美国杜邦公司最近研制成功的KOREX芳族聚酰胺蜂窝夹芯具有优良的剪切和压缩模量,高的剪切强度和压缩强度,因此可大大减少高性能蜂窝夹芯结构的重量。另外这种材料的热膨胀系数很低,其湿热性能和耐疲劳性能也比常用的蜂窝夹芯提高不少,故它是较有潜力的蜂窝夹芯材料。     

立体光造型制造蜂窝结构

文中介绍了一种生产蜂窝结构的新技术——立体光造型(SLA)。该方法不需要模具,生产的蜂窝结构可重复性令人满意。除了极薄(约0.25mm)的蜂窝结构,每批次的密度变化不超过17％。芯格尺寸为9.5mm和4.8mm的两种结构,密度分别为98.5kg/m~3和180.7kg/m~3芯格尺寸为9.5mm的蜂窝结构,比平面剪切强度范围为0.006～0.009MPa·m~3/kg,比平面剪切模量范围为0.21～0.27MPa·m~3/kg。立体光造型和其它常用方法相比,快捷方便,适应性强。     

空间薄膜结构粘接缝模型的建立与验证

针对Hart-Smith板壳粘接缝模型不适用于空间薄膜结构粘接缝的问题及空间薄膜结构高精度设计中粘接缝二维模型缺失的问题,开展了空间薄膜结构粘接缝模型的建立与验证工作。首先基于Kirchhoff板理论建立了空间薄膜结构粘接缝的三维模型,计算了粘接缝内部剪应力和剥离应力分布;其次,将三维模型映射到二维,建立了薄膜粘接缝二维等效模型,给出了二维等效模型的杨氏模量和强度的计算方法;最后,对薄膜粘接缝二维等效模型进行了仿真校验,仿真结果表明,根据二维等效模型求得的杨氏模量误差为4.5%～11.8%,且该误差与粘接缝宽度正相关。仿真校验证实了粘接缝的主要失效模式为剪切,且粘接缝的等效强度不受粘接缝宽度影响。当粘接缝宽度为5 mm时,二维等效模型比Hart-Smith模型求得的等效强度误差减小了29.2%。薄膜粘接缝二维等效模型为空间薄膜结构高精度设计提供了参考。     

固体火箭发动机壳体特性系数

讨论了固体火箭发动机壳体特性系数的定义,给出了钢壳体和纤维缠绕壳体特性系数的表达式。结果表明,壳体特性系数不仅与壳体材料的比强度有关,还与壳体封头结构及圆筒长径比有关;对纤维缠绕壳体,特性系数还与纤维的体积含量有关。因此,将壳体特性系数作为壳体材料的性能常数是不正确的。在其他条件相同的情况下,增加圆筒长度是提高壳体特性系数的有效方法。     

铝锂合金——一种先进的航空航天材料

一、竞争的需要在航空航天工业中,铝合金的应用由来已久,而至本世纪七十年代初,由于对所用铝合金的研究局限在通过精细调整控制显微组织来改进合金性能如断裂韧性或抗应力腐蚀性能,强度的提高却很有限,因而当时得出结论是,铝合金的研制已进入成效渐微的境地,不大可能再出现惊人的进展。但是,随着世界石油危机带来的燃料价格猛涨,以及军用飞机和航天器又迫切要求增加有效载荷,降低结构重量,这就大大促进了研制具有更高性能,特别是更高比强度、比刚度的     

材料的比强度和比刚度

通常结构件的重量与所用材料的比强度或比刚度成反比,因此比强度、比刚度就成为材料选择的主要参数。本文分析了板材、型材在拉伸、弯曲作用下以及受压杆件、内压圆筒件的构件重量和材料强度、弹性模量之间的关系,求得合理的有效比强度、有效比刚度的表达式。根据计算,这两个参数可以分别表示为o~x/ρ或E~y/ρ(x,y≤1)。作者建议采用这两个参数代替常用的o/ρ和E/p,作为优化材料选择的准则。 基于以上表达式,对于重量成为设计的严重问题来说,降低材料的密度比提高材料的强度或弹性模量更为有效。从这个意义上说,宇航材料的发展史也就是材料密度不断降低的历史。     

高强低模Zr基非晶合金的性能实验和张力计构件制备

Zr基非晶态合金具有高强度和低弹性模量,符合航天器弹性体构件的设计要求。文章采用铜模铸造法制备了Zr基非晶合金张力计构件,并对该合金的结构、热性能、力学性能进行了系统的测试和表征,着重分析了该非晶合金的铸造尺寸、成分配比与非晶形成能力的关系。研究成果有助于推动非晶合金在空间领域的工程化应用。     

不完整结构系统刚度可靠性分析

基于结构强度可靠性分析的基础之上，提出了不完整结构(结构系统中有部分元件已失效，但结构未变成机构仍具有一定的承载能力)刚度可靠性的分析方法。该方法考虑了元件因强度失效对结构系统刚度可靠性的影响，以条件概率的形式给出了不完整结构因刚度失效所对应的模式失效概率。并且导出了条件概率所对应的等效安全余量的形式，进而计算在各失效历程中的各失效模式之间的相关性和刚度失效概率。算例表明这样分析符合结构在变成机构之前在使用各阶段刚度可靠性的真实情况，为结构的合理利用起指导作用。     

Design feasibility via ascent optimality for next-generation spacecraft

This paper deals with the optimization of the ascent trajectories for single-stage-sub-orbit (SSSO), single-stage-to-orbit (SSTO), and two-stage-to-orbit (TSTO) rocket-powered spacecraft. The maximum payload weight problem is studied for different values of the engine specific impulse and spacecraft structural factor.The main conclusions are that: feasibility of SSSO spacecraft is guaranteed for all the parameter combinations considered; feasibility of SSTO spacecraft depends strongly on the parameter combination chosen; not only feasibility of TSTO spacecraft is guaranteed for all the parameter combinations considered, but the TSTO payload is several times the SSTO payload.Improvements in engine specific impulse and spacecraft structural factor are desirable and crucial for SSTO feasibility; indeed, aerodynamic improvements do not yield significant improvements in payload.For SSSO, SSTO, and TSTO spacecraft, simple engineering approximations are developed connecting the maximum payload weight to the engine specific impulse and spacecraft structural factor. With reference to the specific impulse/structural factor domain, these engineering approximations lead to the construction of zero-payload lines separating the feasibility region (positive payload) from the unfeasibility region (negative payload).     

薄壁加筋壳强度变差系数仿真预估方法研究

针对运载火箭结构价格昂贵，通过试验获取强度变差系数困难问题，提出了基于产品实测数据仿真预估强度变差系数方法。以轴压载荷作用下的1 m直径薄壁正交网格加筋圆柱壳试验件为对象，开展了实现技术途径及试验验证研究。测量并统计试验产品材料性能、结构尺寸及几何形貌不确定性；应用双重傅立叶级数对实测几何形貌表征，将其引入到结构理想有限元分析模型，实现极限强度精确仿真分析；采用混沌多项式展开（Polynomial Chaos Expansion，PCE）代理模型，实现考虑关键参数不确定性的极限强度高效模拟打靶和强度总体变差系数预估；并开展了3个试验件的轴压强度破坏试验验证。结果表明，预估的强度变差系数可很好包络试验样本变差系数，具有较高可靠性的同时，相对历史统计数据有较大降低，对实现结构可靠性安全系数的精确量化设计，挖掘现代先进结构承载潜力有重要意义。     

有位移约束结构的可靠性分析

本文从增量载荷法的原理出发，对于具有位移约束的结构体系，通过引入“广义元”的概念，提出了计算其刚度破坏承载能力的方法，使结构体系的可靠性分析范围扩展到强度和刚度要求并存的情况，物理概念清楚，方法有效，通过算例阐述了该方法的应用。     

电动式磁悬浮动量球电磁场耦合分析

本文针对电动式磁悬浮动量球(Electrodynamic suspension reaction sphere, EDSRS)的电磁场耦合进行分析，采用定子绕组的感应电动势评判耦合强度，提出了耦合强度评判指标，作为EDSRS的结构设计约束，以降低电磁场耦合的影响。首先，结合EDSRS的具体结构特点，对多定子之间的电磁场耦合问题进行分析，采用定子电磁场在另一个定子绕组中产生的感应电动势评判耦合强度。然后，对感应电动势产生规律进行分析，提出了耦合强度评判指标，并基于所提评判指标，建立了耦合约束验证流程，作为EDSRS的结构设计约束，最后，通过有限元仿真和实验验证了上述电磁场耦合分析。     

轻型刚性陶瓷填充材料性能表征及其空间环境效应试验研究

轻型刚性陶瓷因其稳定的介电常数和良好的耐压性能,已经作为填充材料应用于航天器器件中。文章对介质陶瓷材料的结构、组织形貌、力学性能和微波介电性能开展了系统研究,探讨了结构的各向异性对力学性能和电性能的影响。重点对介质陶瓷的空间环境效应开展研究,试验结果发现其具有低的真空出气总质损和可凝挥发物含量,以及一定的空间总剂量辐照耐受能力。陶瓷经历湿热处理后,结构强度出现了一定程度的下降,分析发现是由陶瓷内部含有的少量B_2O_3黏结剂吸水生成硼酸导致。     

新型空天货物转载支架车静强度及可靠性仿真分析

为满足空天货物在直升机上的快速装卸及航空运输轻量化需求，研制了以铝合金材料为主体的新型转载支架车。采用ABAQUS软件分别对转载支架车的车架结构和支腿，以及辅助装置的分载板建立有限元模型并进行静强度分析；以支架车单根支腿下降模拟支架车在上机过程中的不均匀沉降现象，通过力学分析计算支架车上机过程中的平均强度；根据强度设计值和强度标准值，反向推导出材料的强度分布，计算得到支架车各结构的失效概率。仿真结果表明:所设计轻量化支架车的结构强度满足指标要求；各结构失效概率均满足可靠性指标要求，但采用铝合金3003材料的分载板失效概率最大，是支架车系统的薄弱环节，后续应考虑加以改进。     

卫星电推进系统力学环境试验工装设计

研究了一种卫星电推进系统进行力学环境试验的工装设计方法,进行了工装结构建模、结构强度与试验载荷的分析以及建立在仿真计算结果上的结构优化设计,并通过试验验证了该项设计的合理性。